中温太阳能集热系统相变材料的贮能性能及过冷特性的研究

摘要

随着国民经济的不断发展，人们物质文化、生活水平不断得到提高，人类对能源的需求越来越大，而煤炭、石油、天然气等常规能源日益减少，因此，新能源和可再生能源的开发利用越来越受到重视。太阳能是新能源和可再生能源中最引人注目、开发研究最多、应用最广的清洁能源。但是到达地球表面的太阳辐射能量密度不高，且受地理位置、昼夜和季节交替等规律性变化的影响，以及阴、晴、云、雨等随机因素的制约。因此，为了满足生产、生活用能连续、稳定供应的需要，就需要通过储热物质把多余的太阳能储存起来，在太阳能不足时再释放出来。而相变储能材料即可满足这一要求，因此，人们在不断寻求和研究适用于太阳能热利用技术且性能稳定的相变储能材料。 三水合醋酸钠具有较适宜的熔点温度和较高的熔化潜热，且价格便宜、导热系数大、毒性小、无异味，是无机水合盐相变储能材料中研究较多的一种。但是其存在严重的过冷和相分层现象，过冷度甚至可达几十度，制约了其实际应用。因此，本文采用“爱迪生法”，通过大量试验对三水合醋酸钠相变储能材料的过冷特性与循环稳定性进行了研究与改善。结果显示，以三水合醋酸钠分析纯为基质材料，以3％用量的羧甲基纤维素作为增稠剂，分别以0.5％的磷酸钠、硅酸钠和硼砂作为成核剂时，可以有效减小体系的过冷度(减小至10℃以内)，改善了体系的循环性能。本文还测得了三水合醋酸钠体系各次循环的XRD图谱和固相比热容数据，并对其进行了分析，从物相结构及晶型转变的角度解释了三水合醋酸钠体系的性能随着循环次数的增加而衰减的原因。 由于脂肪酸和石蜡具有有机酸的优点，如共熔、几乎没有过冷现象、蒸汽压较低、无毒性、对金属容器无腐蚀，良好的物理化学稳定性等，因此，本文选择了熔点和熔化潜热较适宜的硬脂酸、棕榈酸、肉豆蔻酸及石蜡进行了循环性能的研究；测得了各试样多次熔化.凝固循环前后的固相和液相比热容数据，并进行了相关分析，从晶体结构方面解释了比热容变化的原因；并通过硬脂酸、棕榈酸及肉豆蔻酸的XRD图谱分析，指出了这三种PCMs循环性能较稳定的原因。从而得出，硬脂酸、棕榈酸及肉豆蔻酸无过冷现象，且循环性能较稳定，是可选用的太阳能热利用系统的相变储能材料；石蜡的循环性能也比较稳定，但是不纯的石蜡常常含有低链烃的物质，影响其熔点和熔化潜热。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2储能材料的分类及原理

1.2.1固-固相变储能材料

1.2.2固-液相变储能材料

1.3相变储能材料的筛选原则

1.4国内外研究现状

1.4.1国外研究现状

1.4.2国内研究现状

1.4.3相变储能材料在太阳能中的应用

1.4.4目前存在问题

1.5本文研究内容

第二章理论部分

2.1相平衡及相变理论

2.1.1相和相变

2.1.2相平衡及其相关概念

2.2结晶理论依据

2.2.1晶核的形成

2.2.2晶体生长

2.2.3热量输运

2.3水合盐相关理论

2.3.1结晶水和水合晶体

2.3.2无机水合盐的过冷机理

2.3.3减小过冷度的措施

2.3.4无机水合盐的析出机理

2.3.5克服晶液分离的方法

2.4差示扫描量热仪测试原理

2.4.1热流式DSC的测试原理

2.4.2相变材料的熔点和熔化焓的测定

2.4.3比热容的测定

2.5 X射线测试分析原理

2.5.1X射线衍射原理

2.5.2多晶衍射仪法

第三章三水合醋酸钠储能性能研究

3.1三水合醋酸钠简介

3.2试验仪器及试剂

3.2.1试验仪器及设备

3.2.2试验试剂

3.3试验

3.4试验结果与分析

3.4.1工业纯、分析纯的步冷曲线分析

3.4.2过冷性能研究及增稠剂的筛选

3.4.3增稠剂用量对循环性能的影响

3.4.4成核剂的筛选

3.4.5熔点与熔化潜热测试结果分析

3.4.6比热容测试结果分析

3.4.7 XRD测试结果分析

3.5本章小结

第四章脂肪酸相变储能性能研究

4.1三种脂肪酸简介

4.2试验仪器及试剂

4.2.1试验仪器及设备

4.2.2试验试剂

4.3试验

4.4试验结果与分析

4.4.1步冷曲线分析

4.4.2熔点与熔化潜热测试结果分析

4.4.3比热容测试结果分析

4.4.4 XRD测试结果分析

4.5本章小结

第五章石蜡相变储能性能研究

5.1试验仪器及试剂

5.1.1试验仪器及设备

5.1.2试验试剂

5.2试验

5.3试验结果与分析

5.3.1步冷曲线分析

5.3.2熔点与熔化潜热测试结果分析

5.3.3比热容测试结果分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

附录